研究背景

自1991年首次觀察到碳納米管以來，研究者們從未停止對(duì)這種特殊材料的探索，碳納米管（CNT），是一種管狀的納米級(jí)石墨晶體，是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級(jí)管，每層的C是SP2雜化，形成六邊形平面的圓柱面。碳納米管同樣也有天然產(chǎn)出的碳晶特性，使納米碳管成為人們認(rèn)知的碳原子材料，由于碳納米管中碳原子采取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量和高強(qiáng)度。

碳納米管具有良好的力學(xué)性能，CNTs抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200 GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)；它的彈性模量可達(dá)1 TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。對(duì)于具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管，其抗拉強(qiáng)度約800 GPa。碳納米管的結(jié)構(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)構(gòu)相似，但其結(jié)構(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)定得多。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料， 可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來極大的改善。

人造肌肉、飛機(jī)、懸索橋、防彈衣、電纜、運(yùn)動(dòng)器材，甚至空間電梯等領(lǐng)域都需要抗疲勞性能優(yōu)異的材料。碳納米管、石墨烯等低維材料普遍具有優(yōu)異的強(qiáng)度。人們對(duì)這些納米級(jí)材料的內(nèi)在強(qiáng)度進(jìn)行了廣泛的研究。我們知道，材料的失效主要是由疲勞引起的，而不是化學(xué)鍵的廣泛斷裂。在循環(huán)應(yīng)力下，破壞發(fā)生在應(yīng)力值低于靜態(tài)加載下的固有強(qiáng)度。目前用于理解疲勞過程的主流范式是基于循環(huán)加載過程中導(dǎo)致應(yīng)力集中的缺陷，以及一旦形成臨界長度裂紋后的破壞。

碳納米管研究了這么多年，但由于其尺寸太小，對(duì)其缺乏行之有效的測(cè)量方法，因此其抗疲勞性測(cè)試一直困擾著科學(xué)家們！

研究成果

抗疲勞性能是結(jié)構(gòu)材料使用壽命的關(guān)鍵性能。碳納米管（CNTs）是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最堅(jiān)固的材料之一，但由于對(duì)如此小尺寸的樣品缺乏有效的測(cè)量方法，測(cè)量其抗疲勞性一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)世界難題，清華大學(xué)魏飛教授課題組經(jīng)多年潛心鉆研，開發(fā)了一種非接觸式聲學(xué)共振測(cè)試系統(tǒng)來研究厘米長的碳納米管的疲勞行為。研究發(fā)現(xiàn)，CNTs具有優(yōu)異的抗疲勞性能，這取決于溫度，CNTs疲勞斷裂的時(shí)間主要由第一個(gè)缺陷產(chǎn)生的時(shí)間決定，這項(xiàng)工作為碳納米管在超強(qiáng)抗疲勞應(yīng)用方面打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)！相關(guān)研究工作以“Super-durableultralong carbon nanotubes”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊《Science》上。

圖文速遞

圖1. 碳納米管的結(jié)構(gòu)和抗疲勞性能表征

作者制備了厘米長的CNT陣列。圖1，A，B和D展示了這些懸浮的CNT在Si/SiO2襯底上橫穿溝槽排列的情況。CNT的結(jié)構(gòu)通過透射電子顯微鏡（TEM）（圖1C）、共振瑞利散射（圖1E）和拉曼光譜表征。具有不同手性的CNT在共振瑞利散射中顯示出不同的顏色，因此，具有沿其軸向方向發(fā)生結(jié)構(gòu)或手性變化的單個(gè)CNT將在該方向上顯示顏色變化。因此，CNT的共振瑞利散射提供了一種鑒定其手性一致性的有效方法。如圖1E所示，在生長態(tài)的CNT呈現(xiàn)單色特性，這表明它們的手性仍然沿軸向方向。設(shè)計(jì)了配備納米探針系統(tǒng)的非接觸式聲學(xué)共振測(cè)試（ART）系統(tǒng)，以研究各個(gè)CNT的機(jī)械性能。將TiO2納米顆粒沉積到懸浮的CNT上，以使其可視化，并控制其共振頻率，這是通過改變弦線密度來實(shí)現(xiàn)的。

圖2. CNTs在環(huán)境溫度下的力學(xué)行為

作者利用懸臂梁試驗(yàn)方法測(cè)試了單根碳納米管在環(huán)境溫度（300K）下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2A所示。研究結(jié)果表明CNTs的非線性彈性行為與廣泛報(bào)道的CNTs彈性相一致。拉伸強(qiáng)度為118.9±4.5 GPa，斷裂應(yīng)變?yōu)?6.41±0.22%，韌性計(jì)算為8.0±0.2 GJ/m3。圖2B是室溫下，CNTs的疲勞壽命和相應(yīng)的應(yīng)變?cè)诩虞d頻率為500 Hz時(shí)的測(cè)試圖。圖2C表明，經(jīng)過特定加載周期后CNTs的殘余強(qiáng)度沒有發(fā)生明顯的變化，在整個(gè)ART過程中沒有產(chǎn)生可檢測(cè)到的缺陷，碳納米管的歸一化應(yīng)變和疲勞壽命在半對(duì)數(shù)圖上顯示出幾乎線性的關(guān)系。碳納米管疲勞破壞呈現(xiàn)出整體破壞性，這與一般傳統(tǒng)材料的疲勞損傷累積機(jī)制有所不同，初始缺陷的生成對(duì)碳納米管的疲勞壽命起主導(dǎo)作用。

圖3 CNTs在不同溫度下的疲勞行為

疲勞行為對(duì)測(cè)試參數(shù)的依賴性為潛在的機(jī)理提供了進(jìn)一步的見解。在不同的加載頻率和溫度下進(jìn)行了疲勞實(shí)驗(yàn)，這表明CNT的壽命幾乎與加載頻率無關(guān)，但取決于溫度。較高的溫度導(dǎo)致較低的抗疲勞性（圖3D）。作者還觀察到在200 K的低溫下，樣品表現(xiàn)出比在環(huán)境溫度下更強(qiáng)的抗疲勞性。

結(jié)論與展望

綜上所述，清華大學(xué)研發(fā)出非接觸式聲學(xué)共振測(cè)試系統(tǒng)來研究厘米長的碳納米管的疲勞行為，這項(xiàng)工作解決了碳納米管抗疲勞性能長期以來無法有效測(cè)試的問題，研究結(jié)果表明，CNTs的疲勞斷裂取決于所施加的應(yīng)變和溫度，隨后的缺陷/裂紋傳播是瞬時(shí)的，也就是說，所需的時(shí)間可以忽略不計(jì)，或者CNT的疲勞失效是整體性的，并且是災(zāi)難性的，沒有進(jìn)行性破壞。因此，CNT的壽命實(shí)際上由第一缺陷產(chǎn)生的壽命支配。這項(xiàng)工作為碳納米管進(jìn)一步應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，未來將發(fā)揮重要作用！

原文鏈接 https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104